Malignidad a simple vista: Resta de imágenes para visualizar cáncer en una mamografía ME Brandan a), Y Villaseñor b), L Benítez Bribiesca c), F Trujillo d), H Pérez-Ponce a), JP Cruz-Bastida a), P Sánchez-Suárez c), HA Galván b), E Bargalló b) e I Rosado-Méndez a) a) Instituto de Física, Universidad Nacional Autónoma de México, Coyoacán 04511 DF b) Instituto Nacional de Cancerología, Tlalpan 14080 DF c) Hospital de Oncología, Centro Médico Nacional Siglo XXI IMSS, 06720 DF d) Hospital Regional de Alta Especialidad, Oaxaca, 71256 OAX Resumen. Este proyecto de investigación multidisciplinario en física médica busca mejorar la visualización de lesiones en una mamografía digital, observando la presencia de un medio de contraste en la región sospechosa. Después de la inyección de un medio de contraste (consistente en una molécula triyodada) se espera que la captación de éste en el tejido mamario, visible en la mamografía, sea un indicador de la formación de nuevos vasos sanguíneos y/o linfáticos (angiogénesis) como respuesta al desarrollo de un tumor maligno. La imagen vascular de la neoplasia se obtiene al restar imágenes primarias tomadas en tiempos diferentes (por ejemplo, antes y después de la administración del yodo a la paciente) o al restar imágenes primarias adquiridas con rayos-x de diferente energía. El objetivo del estudio es correlacionar la presencia de neo-vasculatura sanguínea y linfática con la benignidad/malignidad de la lesión. También se busca cuantificar la captación de yodo para poderla correlacionar con la presencia de angiogénesis. Los primeros resultados de un estudio clínico de 18 pacientes sugieren una correlación positiva entre la formación de nuevos vasos y la malignidad de la lesión. I. Introducción Gracias a la disponibilidad de detectores digitales en los sistemas de imaginología clínica actuales es posible realizar resta de imágenes digitales de un mismo objeto, adquiridas bajo condiciones diferentes, para obtener una imagen resultante que enfatice alguna característica de interés. En el diagnóstico médico por imágenes se emplean medios de contraste apropiados para que su presencia se vea realzada en la imagen que resulta de la sustracción, brindando así información anatómica o funcional sobre el órgano de interés. Estas técnicas, aplicadas a las imágenes digitales de mamografía, se conocen como CEDM (por sus siglas en inglés, contrast-enhanced digital mammography) [1]. Una modalidad de CEDM se basa en la diferencia temporal entre una primera imagen (obtenida antes de aplicar el medio de contraste) y la segunda imagen (adquirida después de administrar el MC). Los trabajos de Diekmann y sus colaboradores [2, 3] son ejemplos de esta
modalidad, conocida como CEDM temporal. Una estrategia alternativa se basa en el uso de espectros de rayos-x diferentes para cada una de las imágenes. Los trabajos de Lewin y cols. [4] y de Dromain y cols. [5] ilustran esta modalidad, llamada CEDM de energía-dual. En ambas modalidades se espera eliminar de la imagen resultante el fondo estructurado del tejido mamario, para que aparezca solamente la distribución espacial del medio de contraste. La base física de la resta temporal es simplemente -- la presencia/ausencia del medio de contraste en una y otra imagen, ya que el resto del objeto es idéntico para ambas imágenes. La resta por energía dual se basa en la dependencia no-lineal de los coeficientes de atenuación de los rayos-x con la energía, que permite anular en la resta la presencia de un elemento (el tejido glandular) mientras permanecen los otros, aumentado así el contraste. Generalmente, el medio de contraste es una solución de yodo. Los trabajos citados han demostrado la factibilidad de la CEDM, generalmente usando equipos mastográficos modificados ad-hoc por la empresa fabricante, con el fin de optimizar el espectro de rayos x para aumentar el contraste del yodo en la imagen resultante. Nuestro grupo ha estudiado la optimización de parámetros radiológicos para ambas modalidades de resta y su combinación, usando equipos comerciales no-modificados, posibles de encontrar en un servicio de salud común [6,7]. En particular, hemos estudiado las posibilidades que ofrecen los modelos Senographe de GE, cuyos tubos de rayos X permiten generar espectros de rayos X hasta con 49 kv de voltaje de operación, considerablemente más alto que los 25-30 kv habituales para un estudio de mamografía. La presencia del medio de contraste en la región de una lesión sospechosa se debe a angiogénesis, la formación de nuevos vasos sanguíneos y linfáticos, requeridos por la creciente necesidad de nutrientes y oxígeno de las células malignas. Estos vasos son inmaduros y altamente permeables, y permiten la fuga de la solución de yodo en la región tumoral. Estudios independientes usando MC en otras técnicas imagenológicas, como son imágenes de resonancia magnética y de tomografía computarizada, reportan aumento de la información diagnóstica de las imágenes al observar, en imágenes restadas de la mama, una curva dinámica de captación y eliminación del MC de la región de interés. En general, los tumores malignos captan el MC más rápido y en un grado mayor que el tejido normal o las lesiones benignas. Este proyecto de investigación, en que colaboran el Instituto de Física UNAM, el Instituto Nacional de Cancerología INCan, el Hospital de Oncología del CMN Siglo XXI IMSS, y el Hospital Regional de Alta Especialidad de Oaxaca, tiene como objetivo principal obtener indicadores cuantitativos en las imágenes restadas que sean indicadores de la presencia de angiogénesis y, por lo tanto, de la malignidad/benignidad de la lesión. Sus metas son correlacionar la presencia de neo-vasculatura sanguínea y linfática medida en una muestra quirúrgica de la lesión con la benignidad/malignidad de la lesión, y optimizar el procedimiento de la resta de imágenes para obtener valores con significado cuantitativo. Este documento reporta resultados preliminares.
II. Métodos A. Adquisición de las imágenes El protocolo de investigación fue aprobado por el Comité de Investigación y Ética del INCan. Sus elementos principales son la selección de pacientes con masas sospechosas detectadas y clasificadas como BIRADS 4 o 5 y programadas para cirugía (incluyendo mastectomía o excisión local); estas pacientes son informadas e invitadas a participar. Se estima que 20 pacientes en el protocolo permitirán establecer las correlaciones esperadas. Para cada paciente se adquiere una secuencia de imágenes bajo una compresión ligera de la mama, usando un mastógrafo Senographe DS (opción FineView deshabilitada). Esta secuencia está conformada por dos imágenes máscara (sin medio de contraste), una tomada a baja energía (BE) y la otra a alta energía (AE). Se inyectan 100 ml de medio de contraste por vía intravenosa, en ese momento se inicia el control del tiempo transcurrido, y luego se adquieren 4 imágenes de alta energía (AE MC ) con el medio de contraste circulando, en los tiempos 1, 2, 3 y 5 minutos después de la inyección. La dosis glandular promedio total recibida por las pacientes es menor que 6 mgy. Este valor es equivalente a dos veces el valor límite permitido para una imagen en un procedimiento de tamizaje (realizado a población abierta de pacientes asintomáticas). Ya que las pacientes a quienes se aplicaría el procedimiento propuesto muestran indicios de una lesión sospechosa de malignidad, se considera que el beneficio esperado de la información diagnóstica agregada justifica la exposición adicional. B. Procesamiento de las imágenes Las imágenes se procesan usando el código ImageJ. Se evalúan dos opciones de resta. En la modalidad energía-dual temporal, DET, a cada una de las imágenes con medio de contraste AE MC se le resta la máscara BE con una relación de sustracción logarítmica pesada, I DET = ln(ae MC ) ln(be). El factor de peso es el cociente de los valores promedio de pixel para el tejido glandular sano determinados en regiones de interés establecidas por el radiólogo. Antes de restarlas, las imágenes se han auto-normalizado con respecto de su tejido adiposo. La resta descrita por la relación DET produce valores promedio de pixel muy cercanos a cero para el tejido glandular, que es lo esperado. La linealidad entre el espesor másico de yodo y el valor de pixel del yodo en la imagen restada fue confirmada en nuestro trabajo previo con maniquíes [6]. En la modalidad energía única temporal, SET, se realiza una simple resta logarítmica entre las imágenes de alta energía, restando la máscara de las adquiridas con medio de contraste, de acuerdo con I SET = ln(ae MC ) ln(ae). Para la modalidad DET calculamos el contraste C entre la región que posiblemente contiene el yodo y el tejido glandular circundante como la diferencia entre el valor medio del pixel en la lesión (determinada por el radiólogo antes del procesamiento) y el valor en el tejido
glandular. Para la modalidad SET simplemente se calcula la diferencia logarítmica de pixeles en la región de interés con relación al valor de la misma región en la imagen máscara. C. Análisis inmunohistoquímico de las biopsias Se usan anticuerpos altamente específicos para marcar vasos sanguíneos (Anti-CD105E9) y vasos linfáticos (Anti podoplanina) en cortes de 4 micras de especímenes quirúrgicos embebidos en parafina. Se cuenta el número de microvasos en cinco campos a 400 X de mangnificación y se obtiene el promedio para vasos sanguíneos y linfáticos por separado. III. Resultados preliminares Hasta la fecha, un total de 18 pacientes han entrado al protocolo. En 4 de los procedimientos la adquisición de las imágenes no se pudo apegar al protocolo, por lo que no se cuenta con análisis de imágenes. Las biopsias de las 18 pacientes (6 benignas y 12 malignas) fueron sometidas al análisis inmunohistoquímico. La Figura 1 ilustra el proceso de resta de las imágenes. De izquierda a derecha se observan las imágenes máscara a las dos energías, una de las imágenes con medio de contraste, y el resultado de la resta para ambas modalidades. En las imágenes restadas se puede observar una zona blanca en que el contraste se ha enfatizado por el proceso de resta. Esto corresponde a la presencia del yodo en la región de lesión identificada por el radiólogo. La Figura 2 muestra las curvas de captación de yodo (es decir, el contraste en la región de la lesión como función del tiempo transcurrido desde la inyección del medio de contraste) para tres pacientes. Las curvas corresponden a la modalidad de energía-dual DET. Pueden observarse tres patrones diferentes: captación creciente con saturación de la cantidad de yodo LE mask Máscara BE (baja energía) HE mask Máscara AE (alta energía) HE + CM AE + medio de contraste Dual Resta energy modalidad DET subtraction Single Resta energy modalidad SET subtraction Lesión Lesion Adiposo Adipose so Glandular Figura 1. Imágenes y regiones de interés para una paciente. Las imágenes máscara se obtienen antes de aplicar el medio de contraste. La imagen central con medio de contraste corresponde a 3 minutos después de la inyección. Los puntos blancos son marcadores radio-opacos colocados sobre la mama para alinear las imágenes antes de iniciar el procesamiento.
Figura 2. Curvas de captación de yodo (valores del cambio de contraste en unidades arbitrarias) para tres pacientes. Las incertidumbres de la evaluación del contraste son similares a los valores medidos en el caso de baja captación. para tiempos superiores a 3 minutos (patrón de tipo 3, según la nomenclatura de Dromain [5]); captación rápida seguida por una desaparición lenta del medio de contraste (curva tipo 1, según [5]) y muy baja (consistente con nula) captación. La Figura 3 muestra los valores promedio de la densidad de vasos sanguíneos y linfáticos para las 18 pacientes. Puede observarse que la cantidad de vasos sanguíneos es unas 2.5 veces mayor para pacientes con cáncer que para lesiones benignas. En el caso de neo-vascularidad linfática, las lesiones malignas presentan 3 veces más vasos que las lesiones benignas. Tanto las lesiones benignas como malignas muestran nuevos vasos. IV Discusión y conclusiones preliminares Los resultados presentados demuestran, usando marcadores específicos de angiogénesis para vasos sanguíneos y linfáticos, una correlación positiva entre la densidad microscópica de nuevos vasos y la benignidad/malignidad de la lesión. Los resultados del análisis de la resta de imágenes son aún preliminares. Se observan los mismos patrones de curva de captación reportados independientemente, pero la evaluación del contraste, y la buscada correlación con la formación de microvasos, se enfrenta a desafíos de tipo metodológico para su cuantificación. En particular, la dependencia del método de la
60 52.6 40 Microvessel density (au) 20 22.1 33.3 0 Blood 10.9 Lymphatic Cancer Benign Figura 3. Valor promedio de densidad de microvasos sanguíneos y linfáticos, clasificado según el diagnóstico patológico de lesión benigna o maligna (cáncer). La desviación estándar de cada promedio es aproximadamente de 3.4 y 7.4 unidades para benigno y cáncer, respectivamente. identificación de regiones de interés por el radiólogo previo al análisis introduce dependencia del profesional que realiza la identificación. Además, hemos observado que los resultados numéricos del contraste son sensibles a la circulación del yodo en regiones sanas de la glándula mamaria. Se puede comentar que ninguno de los trabajos previos sobre CEDM ha ofrecido resultados cuantitativos para el énfasis del contraste, limitándose a describir el tipo de curva de captación y las condiciones para una alta o baja visibilidad. Estamos trabajando en una nueva formulación del método de cálculo que permita obtener información cuantitativa. V Agradecimientos Agradecemos el apoyo entusiasta del Departamento de Rayos X del INCan. Este trabajo es financiado parcialmente por CONACYT SALUD-2009-01-112374 y PAPIIT-UNAM IN102610. JPCB agradece beca del CONACYT para cursar la Maestría en Ciencias (Física Médica). Referencias 1. C Dromain y cols., Contrast-enhanced digital mammography. Eur J Radiol 69 (2009) 34-42. 2. F Diekmann y cols., Use of iodine-based contrast medium in digital full-field mammography. Initial experience, Forstschr Rontgenstr 175 (2003) 342-345. 3. F Diekmann y cols, Evaluation of contrast-enhanced digital mammography. Eur J Radiol 78 (2011) 112-121.
4. JM Lewin y cols, Dual-energy contrast-enhanced digital subtraction mammography: Feasibility. Radiol 229 (2003) 261-268. 5. C Dromain y cols, Dual-energy constrast-enhanced digital mammography: initial clinical studies. Eur Radiol 21 (2011) 565-574. 6. IM Rosado-Méndez y cols, Analytical optimization of digital subtraction mammography with contrast medium using a commercial unit. Med Phys 35 (2008) 5544-5557. 7. B Palma y cols, Phantom study to evaluate contrast-medium-enhanced digital subtraction mammography with a full-field indirect-detection system. Med Phy. 37 (2010) 577-589.